MES技术及其应用 Manufacturing Execution System —技术现状与发展趋势 饶运清 华 中 科 技 大 学

MES发展大事记 20世纪80年代末，美国先进制造研究机构(AMT)首先提出MES的概念 1992年，美国成立以宣传MES思想和产品为宗旨的贸易联合会—MES国际联合会（MESA International） 1997年，MESA发布修订后的6个关于MES的白皮书，对MES的定义、功能与应用等问题进行了详尽的阐述 1999年，美国国家标准与技术研究所（NIST）在MESA白皮书的基础上，发布有关MES模型的报告，将MES有关概念规范化 2000年，美国国家标准协会（ANSI）致力于MES标准化工作（ANSI/ISA-95） 2004年，MESA 提出了协同MES体系结构(c-MES)。MESA 改名为“制造企业解决方案协会” (Manufacturing Enterprise Solution Association)

MES技术在国际上的发展历程 下一代MES (Next-Generation MES) 1985 2000 2003 1990 1995 下一代MES (Next-Generation MES) 可集成的I-MES (Integratable MES) 集成化MES (Integrated MES) 专用MES (Point MES)

(1) 专用MES (Point MES) 专用MES是一种自成一体的应用系统，它针对某个单一的生产问题（如制造周期缺乏竞争力、在制品库存过大、产品质量得不到保证、设备利用率低、缺乏过程控制等）提供有限功能（如作业计划与控制、物料管理、质量管理、设备维护、过程管理等），或适用某种特定的生产环境（如应用于半导体和MEMS车间的MES, 应用于FMS系统的MES等）。 专用MES具有实施快、投入少等优点，但通用性和可集成性差。

(2) 集成化MES (Integrated MES) 该类系统起初是针对特定行业（如航空、装配、半导体、食品和卫生等）特定的规范化环境而设计，目前已拓展到整个工业领域。在功能上它已实现了与上层事务处理和下层实时控制系统的集成。 集成化MES具有丰富的应用功能、统一的逻辑数据库、产品及过程模型等优点。 但该类系统依赖特定的车间环境，柔性差，缺少通用性和广泛的集成能力，难于随业务过程变化重新配置。

(3) 可集成的MES (I-MES) 它将模块化组件技术应用于MES的系统开发，是前两类MES系统的结合：既具有专用MES系统的特点，即I-MES中的部分功能作为可重用组件单独销售；又具有集成化MES的特点，即能实现上下两层之间的集成。 I-MES还具有能实现客户化、可重构、可扩展和互操作等特性，能方便地实现不同厂商之间的集成和遗产系统的保护，以及即插即用等功能。 如用于虚拟企业的NIIP-SMART。它应用面向对象技术和模块化应用组件技术，使系统具有便于客户化、可重构和可扩展等特性。

(4) 下一代MES (Next-generation MES) 特点：建立在ISA95标准上；易于配置；易于变更；易于使用；无客户化代码；良好的可集成性；门户(Portal)；…… 如：CIMNET公司的Factelligence, CAMSTAR公司的InSite等。

MES在国际上的应用情况 MES在发达国家已实现产业化，其应用覆盖离散与流程制造行业和领域:半导体、电子、机械、航空、汽车、医疗、食品、酿酒、石油、化工、冶金等，并给企业带来了巨大的经济效益。 据权威咨询公司AMR最新完成的一项市场调查显示：2004年, 全球MES市场营收为10.6亿美元, 与2001年相比，增长超过50%。MES的标准化进程(ISA-SP95)与ERP的成熟是MES市场增长的两大驱动力。 MES的出现和普及，对国外生产管理界也产生了深远的影响。在国外很多行业应用中MES已和ERP相提并论。MES是目前世界工业自动化领域的重点研究内容之一。

MES在国际上的应用情况 MES在发达国家已实现产业化，其应用覆盖离散与流程制造行业和领域:半导体、电子、机械、航空、汽车、医疗、食品、酿酒、石油、化工、冶金等，并给企业带来了巨大的经济效益。 据权威咨询公司AMR最新完成的一项市场调查显示：2004年, 全球MES市场营收为10.6亿美元, 与2001年相比，增长超过50%。MES的标准化进程(ISA-95)与ERP的成熟是MES市场增长的两大驱动力。 MES的出现和普及，对国外生产管理界也产生了深远的影响。在国外很多行业应用中MES已和ERP相提并论。MES是目前世界工业自动化领域的重点研究内容之一。

部分MES国际主流产品 AspenTech公司的AspenTech Mfg. Suite GE Fanuc公司的Cimplicity Advantage Honeywell公司的POMS Rockwell Automation公司的RSBizware Camstar公司的InSite Siemens 公司的SIMATIC IT Production Suite Wonderware公司的Factorysuite2000 CIMNET 的Factelligence …… MES供应商：北美55%，欧洲42%，澳洲3%

部分著名MES供应商 Business.Flex & Optivision & POMS Honeywell SIMATIC IT Siemens Orsi Automation PMX MES Propack Data (Rockwell) Aspen MES Aspen Technology RSBizware Rockwell Automation CitectIIM Solutions Citect Pty eM-Execution & Xfactory Tecnomatix Proficy GE Fanuc PRODAC MES PRODAC Systems InSite Camstar Systems Factelligence CIMNET FactorySuite A2 Wonderware/Invensys intraFACTORY Kratzer Automation OPTAL-mes OPTAL Shopfloor-Online Lighthouse Systems Bigston MES Bigston Information Techn.

MES主流技术特征 支持平台：Windows NT(下至67%),Windows 2000 – XP(≈ 95%), Unix(保持在50%), Linux(17%), 其它 (VMS, AS400) ≈ 10% 支持数据库：Oracle(92%), SQL Server(81%), ODBC(89%) 应用技术： DCOM/COM+(73%), Active-X(81%), XML (94%), DOTNET(64%), J2EE(25%) 体系结构： C/S(83%),Web使能, 瘦客户端(>90%), 分布式(78%)，负荷平衡(61%) *资料来源：LogicaCMG MES软件2004年调查报告

MES目标市场 食品与饮料 电子 制药 汽车 包装商品 重金属 塑料和橡胶 精细化工 机器与工具 半导体 航空与国防 散装化工 家庭与护理 造纸 出版与印刷 建筑与基础设施 石油化工 公用设施 采矿 *资料来源：LogicaCMG MES软件2005年调查报告

MES面向的生产模式 流程型 批量型 存货型 订单型 工程型 *资料来源：LogicaCMG MES软件2005年调查报告

MES的直接经济利益 获益项目 平均获益（获益范围） 调查1 (1993年) 调查2 (1996年) 调查3 (2004年) 缩短产品制造周期 45％(2-80％) 35％(10-80％) 40％ 减少或消除数据输入时间 75％(25-100％) 36％(0-90％) -- 减少在制品数量 17％(25-100％) 32％(0-100％) 25％ 减少或消除作业转换中的文书工作 56％(5-100％) 67％(0-100％) 缩短产品交付周期 32％(2-60％) 22％(0-80％) 改进产品质量（减少次品） 15％(5-25％) 22％(0-65％) 15％ 消除损失的文书/蓝图 57％(10-100％) 55％(0-100％) 机器设备有效工作时间 30% *资料来源：

我国MES研发与应用现状 相对设计与管理,围绕车间层 信息化的研究比较匮乏

我国MES研发与应用现状 十五期间，MES被纳入国家科技规划。在科技部863计划的大力支持下，流程工业领域MES成为技术研究的突破口。重点面向钢铁和石化两个典型流程制造行业，开发完成了若干自主产权的MES系统，如上海宝信MES、中国石化MES (S-MES V1.0)等。 目前，MES已在钢铁、石化等行业得到成功应用，MES应用效益得到用户认可，并且推进了企业信息化的深度，MES成为企业信息化的主体。根据中国电子信息产业发展研究院的一份报告，到2003年底，共有110套MES应用于国内的钢铁企业。 十五期间还对离散制造MES进行了探索性研究，并针对汽车、航空等典型离散行业进行了重点应用开发，已取得初步成效（如西飞MES等）。目前国内市场已出现一些针对离散制造业的MES产品（如天为MES），但为数不多。 总体来说，与西方发达国家相比，我国无论是在MES技术深度与应用广度上都存在较大差距。

目前存在的主要问题 (1) MES体系还不完整。基本功能不完善，缺乏过程管理与优化等面向典型行业的核心模块。针对离散制造业尚无完整、系统的MES解决方案和成熟的软件产品。 (2) 缺乏MES技术标准。MES的设计、开发、实施、维护缺乏技术标准，影响了MES产品的技术性能，加大了系统开发和应用的成本，与国外同类MES产品竞争没有优势。 (3) 集成性还没有完全解决。由于缺乏统一的工厂数据模型，MES各功能子系统之间以及MES与企业其它相关信息系统之间缺乏必要的集成，导致MES作为企业制造协同的引擎功能远未得到充分发挥。

目前存在的主要问题（续） (4) 通用性和可配置性较差。现有系统通常针对特定需求，很难应对企业业务流程的变更或重组，由于缺乏基于工厂数据模型的数据集成技术，系统的可配置性、可重构性、可扩展性较差，严重制约 MES系统的推广应用。 (5) 实时性不强。MES作为面向制造车间的实时信息系统，实时性是实现MES功能的基础。现有系统缺乏准确、及时、完整的数据采集与信息反馈机制，在底层数据的实时采集、多源信息融合、复杂信息处理及快速决策等方面非常薄弱。 (6) 智能化程度不高。MES中所涉及的信息及决策过程非常复杂，由于缺乏智能机制，现有MES大多只提供了一个替代经验管理方式的系统平台，通常需要大量的人工干预，难以保证生产过程的高效和优化。

十一五期间MES研发展望 总体目标： 针对离散和流程行业的不同需求，集中国内MES及相关领域的优势力量，取得MES核心关键共性技术突破， 形成MES软件研发及重大行业应用能力，解决长期制约我国制造业信息化发展的瓶颈问题，实现我国制造业制造执行能力的显著提升。

预 期 成 果 针对离散制造与流程工业，建立面向典型行业的MES构件库，开发具有行业特点的MES工具集与软件产品。针对离散制造业，实现其生产过程的管理与控制能力的显著提升；针对流程行业，达到降低资源消耗的目标。 通过培育5-8家软件供应商，促进不同类型MES产品的产业化；在汽车、航空航天、装备、机车、冶金、石化等典型行业的40家以上企业推广应用。 打通设计、制造和管理之间的数字化通道，为大型集团企业的信息化集成应用及骨干企业的“甩图纸”、“甩账本”工程提供核心支撑。

实施MES支持企业“甩帐本” 帐本信息 实施MES前 实施MES后 生产计划指令 手工计算、下达派工单 系统自动从ERP获取、生成派工单并通过车间电子看板自动下发 制造执行数据 需要人工搜集和统计 通过各种数据采集手段实时采集生产数据，并自动提供统计报表 制造成本数据 通过人工根据历史数据进行核算 根据制造历史数据库自动计算得到 物料配送指令 需手工根据计划和BOM信息计算、汇总生成 自动根据ERP数据汇总得到 车间资源 通过查询设备清单、工装明细表、刀具库等获取车间资源 工艺设计时通过数据库共享直接访问MES数据库得到

MES的发展趋势 智能化 新型 体系结构 实时化 协同化 集成化 标准化

（1）MES新型体系结构的发展 未来的制造环境动态多变，要求MES系统能够根据制造环境的变化快速地进行系统配置和调整，以满足变化的需求 MES将由基于功能可重构的构件式架构，逐步转向基于业务流程可配置、可适应的工作流驱动架构，并进而发展为基于服务可扩展、可定制的SOA式新型架构 基于新型体系结构的MES具有开放式、客户化、可配置、可伸缩、易集成等特性，可针对企业业务流程的变更或重组进行系统重构和快速配置

基于构件 基于工作流 基于SOA

基于组件的MES体系结构 目前业界存在三种主流的组件模型标准：COM系列、EJB和CORBA组件模型(CCM) 基于组件的MES具有良好的可配置性、可重用性、可扩展性和可集成性，可以较好满足现代制造企业对MES的需求

基于工作流的MES体系结构 采用工作流技术，可以把MES业务逻辑从具体的业务实现中分离出来 可以在不修改具体功能模块实现方法的情况下，通过修改（重新定义）过程模型来完成系统功能的改变或系统性能的改进

基于SOA的MES体系结构 面向服务的体系结构(SOA-Service Oriented Architecture)是设计和构建松散藕合软件系统的一种新方法, 能够以程序化和可访问服务的形式公开其业务功能，从而使其它应用程序可以通过已发布的接口来使用这些服务 SOA体系具有如下优势：便于与现有系统集成，具有标准化的架构，开发效率高，降低开发和维护复杂度等 目前，国外许多著名的软件厂商已经推出了支持SOA体系框架的产品,并提供相应的系统整合方案，例如IBM公司的WebSphere、BEA公司的Weblogic、 MICROSOFT公司的Indigo等

国际主流MES产品的体系结构 *资料来源：LogicaCMG MES软件2005年调查报告

国际主流MES产品的可配置性 业务逻辑 图形用户界面 报表 *资料来源：LogicaCMG MES软件2005年调查报告

实例－SIMATIC IT Framework 使得制造流程标准化。

（2）更强的集成化功能 新型MES系统的集成范围更为广泛，不仅包括制造车间本身，而且覆盖企业整个业务流程。通过建立能流、物流、质量、设备状态的统一工厂数据模型,开发模型维护工具，使数据适应企业业务流程的变更或重组的需求，真正实现MES软件系统的开放、可配置、易维护。 在集成方式上更为快捷方便和易于实现，通过制定MES系统设计、开发的技术标准，使不同软件供应商的MES构件和其他异构的信息化构件可以实现标准化互连与互操作以及即插即用等功能,并能方便地实现对遗留系统的保护。

管理信息系统的演进与融合 新一代解决方案 同步化 模块化 面向对象 行业集中 具有伸缩性 财务系统 基于战略 P/S MES I-MES MRP MRPII ERP 预测 DRP SCM 1960 1970 1980 1990 未来

MES/PDM/ERP集成趋势 MES是现代制造企业继C3P与ERP/MRPII之后的重要信息化平台，它们之间的集成是不可避免的趋势 MES CAM SCM CAD OA CRM PDM CAPP ERP CAE CAQ CAPP CAPP CAT TCMS MES

（3）更强的实时性 新一代的MES将具有更精确的过程状态跟踪和更完整的数据记录功能，可实时获取更多的数据以更准确、更及时、更方便进行生产过程管理与控制： 通过多种方式（如直接读取加工设备的数据、通过信息采集终端实时采集数据等）实时采集制造过程中的进度、状态等数据 通过实时的信息处理方式，对采集到的数据进行分析处理，根据分析处理的结果进行显示和反馈，如实时显示加工进度信息、质量信息，把生产异常实时反馈到生产调度系统等 能够实时接收外部的信息并快速处理和响应，如接收到客户的订单进度查询信息能够快速地根据加工的进度进行反馈

用于生产现场的各种数据采集设备 带钮距传感器的电动拧紧工具 RFID车身自动识别 手持PDA物料扫描 磁导航带RFID定位的AGV物流小车

实例1－远程实时数据采集 日本森精机(Mori Seiki)生产的数控机床装备了数据采集装置和通讯终端,利用新型高性能操作系统MAPPSII + 辅助生产管理系统CAPS-Monitor,可通过Internet进行远程实时数据采集、监控与生产管理。

实例2－ SIEMENS MOBY(RFID) 西门子公司的RFID产品－MOBY E/I被广泛用于汽车制造与装配生产线，进行实时数据的采集、存储和处理。

实例3－智能数据采集终端 广东工业大学开发的智能数据采集终端，安装在生产线的工位上，用于为系统提供有关物料、制品、设备状况、人员信息等方面的信息，同时也为具体操作者提供作业信息的双向沟通。

（4）支持网络化协同制造 协同制造是未来制造管理的新模式和发展趋势，因此未来的MES要能够有效地支持分散网络化制造环境下的同步制造，实现制造过程的协同。具体表现在： 支持分布式的多车间、多工厂的制造管理与协同 能够实现与供应商、外协商、客户等合作伙伴在制造过程中的信息共享和交流 能够实现供应链上合作伙伴之间的同步计划、生产控制，同步物资供应等，实现制造过程的协同 One solution, many plants!

下一代MES (c-MES) 随着分散化网络制造模式的发展, 下一代MES 的概念被提出，其显著特点是支持生产同步性，支持网络化协同制造。它对分布在不同地点甚至全球范围内的工厂进行实时化信息互联，并以MES为引擎进行实时过程管理以协同企业所有的生产活动，建立过程化、敏捷化和级别化的管理使企业生产经营达到同步化。 协同的MES功能模型 (MESA International White Paper , 2004)

下一代MES的目标及特点 目标：以MES为引擎，实现全球范围内的生产协同 特点： 例如： 基于ISA95标准 易于配置 易于变更 易于使用 无客户化代码 良好的可集成性 门户(Portal) …… 例如： CIMNET公司的Factelligence CAMSTAR公司的InSite等

（5）MES标准化趋势 MES的标准化进程是推动MES发展的强大推动力。标准化是未来MES的一个重要发展方向。MES的标准化包括： 技术的标准化，未来的MES将遵循开放的技术标准，如基于面向服务的架构、通用的传输协议，通用的数据描述语言XML，基于ISA－95企业控制集成标准等，并能够适应和应用未来新的技术标准 行业解决方案的标准，未来的MES能够根据离散制造各个行业的特点，提供标准的行业解决方案 系统实施过程和方法的标准化，未来MES的实施根据不同的应用模式有可以参照的实施方法论，将极大地提高MES的实施成功率

MES标准产生的背景 没有通用的 MES功能模型 用户很难交流需求 (生产模式不同) ISA-95 企业控制集成 即使集成 也很难维持 (Enterprise Control Integration) 即使集成 也很难维持 各厂商之间的 集成非常困难

ISA-95－正在形成的MES标准 ISA-95是ISA(美国仪器/系统/自动化协会)制定的“企业—控制系统集成”标准的简称，其目的是建立企业级和制造级信息系统之间的集成规范。 ISA-95包括以下六个部分：模型和术语、对象模型属性、制造业务管理活动模型、制造业务管理对象模型和属性、商务到制造的事务处理、制造业务管理的事务处理。 ISA-95的最大贡献在于统一了管控系统集成的术语、信息对象模型及其数据结构、活动对象模型。

ISA-95标准的6个部分 时间 标准号 标准名称 主要内容 ISA-95.00.01 (IEC/ISO 62264-1) 2000 (2003) ISA-95.00.01 (IEC/ISO 62264-1) Part1:模型与术语 详细规定了业务经营和后勤支持系统与生产运行系统之间的接口。 2001 (2004) ISA-95.00.02 (IEC/ISO 62264-2) Part2:对象模型与属性 对Part1所定义的内容作出详细的规定，并通过举例和图解进行进一步的解释。 ISA-95.00.03 (已形成草案) Part3:制造运作管理行为模型 定义了集成企业/控制系统所需的制造运作管理的行为模型和术语。 ISA-95.00.04 (正在制定) Part4:制造运作管理对象模型及属性 定义了支持Part 3 中制造运作管理活动的相关对象模型及其属性。 ISA-95.00.05 (正在制定) Part5: B2M事务 详细说明B2M (Business to Manufacturing) 事务。 未来 ISA-95.00.06 Part6:制造运作管理事务 详细说明制造运作管理事务。

ISA-95的应用范围 业务计划与 后勤支持系统 ERP功能 制造运作管理 MES功能 自动化功能 过程设备 Level 4 业务计划与 后勤支持系统 ISA-95 Parts 1, 2, 5和B2MML ISA-95 Parts 3,4 其它ISO标准 其它IEC, OPC & OMAC 接口标准 IEC & ISA 批量控制和其它标准 ERP功能 Level 3 制造运作管理 MES功能 Level 2 离散 控制 流程 控制 批量 控制 自动化功能 Level 1 过程设备

MES功能模型(ISA-95) 生产控制 (3.0) 研发 与工程 市场营销 与销售 采购 (5.0) 生产调度 (2.0) 物料和 能量控制 (4.0) 产品 库存控制 (7.0) 成本核算 (8.0) 质量保证 (6.0) 发运管理 (9.0) 订单处理 (1.0) 生产控制 (3.0) 维护管理 (10.0) 研发 与工程 市场营销 与销售 过程 支持工程 (3.1) 运作控制 (3.2) 运作规划 (3.3)

国际上MES主流供应商纷纷采用ISA-95标准 如： SIMATIC IT的功能和系统架构建立在ISA-95标准之上。

采用ISA-95标准的部分MES厂商 General Electric SAP Invensys Siemens Lighthammer Corp Jacobs Engineering Fluor Enterprises, Inc Flexware Innovation, Inc. GTI Industrie Noordwest bv  …… SAP Siemens Emerson Rockwell Aspentech ABB Honeywell

对ISA-95中标准功能的实现程度 生产调度 (2.0) 过程支持工程 (3.1) 运作控制 (3.2) 运作计划 (3.3) 物料与能量 (4.0) 质量保证 (6.0) 产品库存 (7.0) 产品成本核算 (8.0) 维护管理 (10.0) *资料来源：LogicaCMG MES软件2005年调查报告

（6）MES的智能化趋势 为了适应快速变化的市场环境，未来的MES系统还具有一定的智能性和自适应能力，能够根据制造环境的变化进行智能调度、智能诊断和智能化管理，主要表现在： 具有多源信息的融合及复杂信息处理与快速决策能力，提供给管理层和决策层的数据将更为准确和可靠 能够根据已有的知识积累和动态采集到的实时信息进行实时的智能调度和智能诊断 具有更强的平滑生产扰动的功能，使车间生产成为一个闭环、自组织的稳态系统 知识管理的思想将渗透和融入到未来的MES中，MES不仅为制造管理提供了一个信息化的管理平台，同时提供一个制造知识管理平台 能够通过智能的程序挖掘及智能的服务组合进行系统的主动重构以适应制造环境和制造流程的改变

MESII 如美国Consilium 公司面向半导体和电子行业相继开发了Work Stream (MESI) 和FAB300 (MESII) “The previous generation of MES collected production information, Today's system can make intelligent use of that data. ”

未来MES—创建可视化数字工厂 工厂层 制造管理层 信息管理层 实时化 可视化 无纸化 智能化

MES技术的发展趋势 谢 谢 大 家 ！